步进电动机驱动与其控制课件

2步进电动机驱动及其控制 2.1 2.1 步进电动机的特点与种类步进电动机的特点与种类 步进电动机又称脉冲电动机。步进电动机又称脉冲电动机。它是一种将电脉冲信号转换成相应的角位它是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的电磁机械装置。移的电磁机械装置。当给它输入一个电脉冲信号时，当给它输入一个电脉冲信号时，其输出轴就转动一个角度，把这个角度叫其输出轴就转动一个角度，把这个角度叫做步距角。做步距角。若连续不断地给它输入电脉若连续不断地给它输入电脉冲信号，它就一步一步不断地转动。冲信号，它就一步一步不断地转动。一一.步进电动机的特点步进电动机的特点 步进电动机的工作状态不易受各种步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素干扰因素(如电源电压的波动、电流的大小如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等与波形的变化、温度等)的影响，只要它们的影响，只要它们的大小在未引起步进电动机产生的大小在未引起步进电动机产生“丢步丢步”现象之前，就不影响其正常工作。现象之前，就不影响其正常工作。输出转角与输入脉冲严格成比例，且在时间上与输入脉冲同步。转子惯量小。启动、停止的时间短，般在信号输入几毫秒至十几毫秒后，就能使电机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会长期积累。可实现平滑无级调速，且调速范围相当宽。借助控制线路，可获得正、反转动及间歇运动等特殊功能。二二.步进电动机的种类步进电动机的种类(1)(1)可变磁阻型可变磁阻型 该类电动机由定子绕组产生的反应该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图其结构原理如图5-45-4所示。其定子所示。其定子1 1与与转子转子2 2由铁心构成，没有永久磁铁，定子由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，上嵌有线圈，图5-4 可变磁阻型(反应式)三相步进电动机断面图1.转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。这类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。2.该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。3.另外，需要将气隙做得尽可能小，例如几个微米。这种电动机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。4.但是，由于其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，可望成为多用途的机种。(2)(2)永磁型永磁型 PM PM型步进电动机的转子型步进电动机的转子2 2采用永久磁采用永久磁铁、定子铁、定子l l采用软磁钢制成，绕组采用软磁钢制成，绕组3 3轮流轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩，其结构如场相互吸引与排斥产生转矩，其结构如图图5-55-5所示。所示。图 两相永磁型步进电动机的结构原理图这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记亿能力，可用作定位驱动。PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。(3)(3)混合混合(HBHybrid)(HBHybrid)型型 这种电动机转子上嵌有永久磁铁，这种电动机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电动机，但从定故可以说是永磁型步进电动机，但从定子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻子和转子的导磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁型和可变磁阻型相型相似，所以是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式，故称为混合型步进电结合的一种形式，故称为混合型步进电动机，其结构如图动机，其结构如图5-65-6所示。所示。图5-6 混合型步进电动机结构原理图它不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。2.2 2.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 图图7 7 为反应式步进电动机工为反应式步进电动机工作原理图。其定子有六个均匀分布的磁作原理图。其定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即有极，每两个相对磁极组成一相，即有A-A-AA、B-B B-B、C-CC-C三相，磁极上绕有励磁三相，磁极上绕有励磁绕组，转子上有四个齿。绕组，转子上有四个齿。图7 步进电动机的工作原理如果先将电脉冲加到A相励磁绕组，定子A相磁极就产生磁通，并对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通。由图上可以看出，这时转子2、4两个齿与B相磁极靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30度角，使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照ABCA的顺序通电，转子则沿逆时针方向一步步地转动，每步转过30度，这个角度就叫步距角。显然，单位时间内通入的电脉冲数越多，即电脉冲频率越高，电动机转速就越高。如果按照ACBA的顺序通电，步进电动机将沿顺时针方向一步步地转动。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。上述的步进电动机，三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，称为三相单三拍通电方式。如果使两相励磁绕组同时通电，即按ABBCCAAB顺序通电，这种通电方式称为三相双三拍，其步距角仍为30度。还有一种是按三相六拍通电方式工作的步进电动机，即按照AABBBCCCAA顺序通电，换接六次完成一个通电循环。这种通电方式的步距角为15度。如果按AACCCBBBAA的顺序通电，步进电动机就沿逆时针方向，以15度步距角一步步转动。一般地，工作在三相三拍工作方式时，切换瞬间步进电动机失去自锁转矩，容易失步，而且只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置产生振荡。而采用三相六拍控制方式，步距角小一半（15度），在通电状态改变时保持一相绕组通电，工作稳定，转换频率也提高一倍，是三相步进电机较常用的控制方式。综上所述，可以得出如下一些结论：步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电动机的步距角。改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。步进电动机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其转子的旋转速度也越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。步进电机的步距角 与定子的相数m，转子的齿数z、通电方式系数k有关，可用式(5-1)表示：(5-1)式中，k由控制方式确定的拍数与相数的比例系数，即k拍数相数，如三相三拍k1；三相六拍k2；五相十拍k2。例如，图5-4所示电动机，转子上有40个齿，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为：若按三相六拍方式工作，则步距角为：定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小一样，两种小齿的齿宽和齿距相等。当一相定子磁极的小齿与转子的齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度。图5-8 不同通电方式时的矩频特性 2.3 2.3 步进电动机的运行特性及性能指标步进电动机的运行特性及性能指标 1.1.分辨率分辨率 在一个电脉冲作用下在一个电脉冲作用下(即一即一拍拍)，电动机转子转过的角位移，即步距，电动机转子转过的角位移，即步距角。步距角越小，分辨率越高。角。步距角越小，分辨率越高。2.2.静态特性静态特性 当步进电机不改变通电状态时，当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态即静态，如果在电机轴上外转子处在不动状态即静态，如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向加一个负载转矩，使转子按一定方向(如顺时如顺时钟钟)转过一个角度转过一个角度 ，此时转子所受的电磁，此时转子所受的电磁转矩称为静态转矩转矩称为静态转矩TjTj或者保持转矩。或者保持转矩。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。一般产品说明书中标示的最静态误差就越小。一般产品说明书中标示的最大静转矩就是指在额定电流和单相通电方式下大静转矩就是指在额定电流和单相通电方式下的的TjmaxTjmax。图5-9 步进电动机单相矩角特性 3.3.动态特性动态特性 步进电动机的动态特性将直步进电动机的动态特性将直接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。接影响到系统的快速响应及工作的可靠性。这里仅就动态稳定区、起动转矩、矩频这里仅就动态稳定区、起动转矩、矩频特性等几个问题做一简要说明。在某一通特性等几个问题做一简要说明。在某一通电方式下，各相的矩角特性总和为矩电方式下，各相的矩角特性总和为矩角特性曲线族，如图角特性曲线族，如图5-105-10所示。每一曲线所示。每一曲线依次错开的电角度为依次错开的电角度为2/m(m2/m(m为运行拍数为运行拍数)，当通电方式为三相单三拍时，当通电方式为三相单三拍时，2/m=2/m=2/32/3（图（图a)a)），三相六拍时，），三相六拍时，2/m=2/m=2/62/6/3 /3（图（图b)b)）。）。图5-10 矩角特性曲线族 (1)动态稳定区 由图5-10可知，步进电动机从A相通电状态切换到B相(或AB相)通电状态时，不致引起丢步，该区域被称为动态稳定区。由于每一条曲线依次错开一个电角度，故步进电动机在拍数越多的运行方式下，其动态稳定区就越接近于静态稳定区，裕量角也就越大，在运行中也就越不易丢步。(2)(2)起动转矩起动转矩TqTq 设有三相步进电动机的矩设有三相步进电动机的矩角特性如图角特性如图5-105-10所示。则所示。则A A相和相和B B相的矩角相的矩角特性的交点所对应的转矩特性的交点所对应的转矩TqTq称为起动力矩，称为起动力矩，它表示步进电机单相励磁时承受的极限负它表示步进电机单相励磁时承受的极限负载力矩。载力矩。当步进电机所受负载TL Tq时，当励磁电流从A相切换到B相时，转子不能转动。所以，最大负载转矩不可大于A、B两矩角特性的交点的纵坐标Tq。不同相数步进电机的起动转矩是不同的，如表5-3所示。表5-3 步进电动机的起动转矩运行运行方式方式相数相数3456拍数拍数3648510612Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.809 0.9510.8660.866(3)(3)最高连续运行频率及矩最高连续运行频率及矩-频特性频特性 步进电动机在连续运行时所步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频能接受的最高控制频率被称为最高运行频率，以率，以fmaxfmax表示。电动机在连续运行状态表示。电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩系称为矩-频特性。在不同控制频率下电动频特性。在不同控制频率下电动机所产生的转矩称为动态转矩。机所产生的转矩称为动态转矩。如图如图5-5-1111所示为步进电动机运行的矩所示为步进电动机运行的矩-频特性。频特性。图5-11 运行矩-频特性 4.4.步进电动机技术指标实例步进电动机技术指标实例 步进电动机的型号表示方法举步进电动机的型号表示方法举例如下例如下(不同生产厂家其表示方法也有所不不同生产厂家其表示方法也有所不同同)。其中，BF表示反应式步进电动机；BY表示永磁式步进电动机；BYG表示混合式步进电动机。下面的表格为部分步进电动机技术性能数据。表5-4 反应式步进电动机技术性能数据表5-5 永磁感应式步进电动机技术性能数据 2.4 2.4 步进电动机的驱动与控制步进电动机的驱动与控制 一一.开环伺服系统的一般构成开环伺服系统的一般构成 如前所述，步进电动机正常运行时，其如前所述，步进电动机正常运行时，其转角严格与控制脉冲的个数成正比，其转速与控制转角严格与控制脉冲的个数成正比，其转速与控制脉冲的频率成正比，能方便地实现正、反转控制及脉冲的频率成正比，能方便地实现正、反转控制及调速和定位。因此，步进电动机大多数用于开环控调速和定位。因此，步进电动机大多数用于开环控制系统，如简易数控机床、线切割机等。制系统，如简易数控机床、线切割机等。图图5-135-13所示为步进电动机驱动直线工作所示为步进电动机驱动直线工作台，当用步进电机驱动其他机械负载时，其伺服系台，当用步进电机驱动其他机械负载时，其伺服系统的组成与此相似。控制系统包含逻辑控制电路，统的组成与此相似。控制系统包含逻辑控制电路，脉冲分配器，加、减速电路等。一般将控制系统和脉冲分配器，加、减速电路等。一般将控制系统和功率放大电路统称为步进电动机的驱动电源。功率放大电路统称为步进电动机的驱动电源。图5-13 步进电动机驱动的开环系统 二二.脉冲分配控制脉冲分配控制 由步进电动机工作原理知，由步进电动机工作原理知，要使步进电动机正确运转，必须按一定顺要使步进电动机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即将指令脉冲按一定规律分配给步进电动即将指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组。实现这一功能的器件称为脉机各相绕组。实现这一功能的器件称为脉冲分配器或环形分配器，可由硬件电路或冲分配器或环形分配器，可由硬件电路或软件程序来实现。软件程序来实现。1.1.硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器 传统的脉冲分配器由一些门传统的脉冲分配器由一些门电路和触发器等组成。现在己生产出脉冲电路和触发器等组成。现在己生产出脉冲分配器专用集成电路，降低了驱动电源的分配器专用集成电路，降低了驱动电源的成本，提高了可靠性，用起来特别方便。成本，提高了可靠性，用起来特别方便。2.2.软件脉冲分配器软件脉冲分配器 软件脉冲分配控制的基本原软件脉冲分配控制的基本原理是：根据步进电动机与计算机的接线理是：根据步进电动机与计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表；运行时按节拍序号查表获得相应控表；运行时按节拍序号查表获得相应控制数据；在规定时刻通过输出口将数据制数据；在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机驱动电路。输出到步进电动机驱动电路。三三.速度控制速度控制 通过控制脉冲分配频率可实通过控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。速度控制也有硬、现步进电动机的速度控制。速度控制也有硬、软件两种方法。软件两种方法。硬件方法是在硬件脉冲分配硬件方法是在硬件脉冲分配器的时钟脉冲输入端器的时钟脉冲输入端(CP(CP端端)接一可变频率脉接一可变频率脉冲发生器，改变其振荡频率，即可改变步进冲发生器，改变其振荡频率，即可改变步进电动机速度。电动机速度。软件方法常采用定时器来确软件方法常采用定时器来确定每相邻两次脉冲分配的时间，即脉冲分配定每相邻两次脉冲分配的时间，即脉冲分配周期，并通过中断服务程序向输出口分配控周期，并通过中断服务程序向输出口分配控制数据。制数据。四四.加减速控制加减速控制 步进电动机允许的启动频率步进电动机允许的启动频率一般较低，当要求高速运行时，必须用一般较低，当要求高速运行时，必须用较低的频率启动，然后逐渐加速，否则较低的频率启动，然后逐渐加速，否则不能正常启动。制动时也应逐渐降到较不能正常启动。制动时也应逐渐降到较低频率后再制动，否则定位不准。步进低频率后再制动，否则定位不准。步进电动机加减速控制也可通过硬、软件两电动机加减速控制也可通过硬、软件两种方法实现。种方法实现。五五.步进电动机的功率驱动电路步进电动机的功率驱动电路 步进电动机的功率驱动电路实步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路。从环行分配器输际上是一种脉冲放大电路。从环行分配器输出的控制脉冲信号必须经过功率驱动电路进出的控制脉冲信号必须经过功率驱动电路进行功率放大才能驱动步进电动机运行。步进行功率放大才能驱动步进电动机运行。步进电动机驱动电路核心问题是如何提高步进电电动机驱动电路核心问题是如何提高步进电机的快速性和平稳性。步进电动机功率放大机的快速性和平稳性。步进电动机功率放大电路的种类很多，常用的有单电压驱动电路、电路的种类很多，常用的有单电压驱动电路、双电压驱动电路和斩波型驱动电路等。双电压驱动电路和斩波型驱动电路等。4.4.步进电动机的细分驱动步进电动机的细分驱动 可以看出，按上述的步进电可以看出，按上述的步进电动机的控制方法及驱动电路，步距角由动机的控制方法及驱动电路，步距角由电机的结构决定，仅有整步和半步两种。电机的结构决定，仅有整步和半步两种。那么，在不改变步进电动那么，在不改变步进电动机的结构的情况下，有没有办法减小步机的结构的情况下，有没有办法减小步进电机的步距角进电机的步距角?这样就提出了步进电动机步这样就提出了步进电动机步距细分的问题。距细分的问题。步距细分原理：步进电动机是一种电流驱动元件。改变步进电机各相电流的大小，就能使其转子相对于每个驱动脉冲的变化量减小，使原有平衡位置之间增加新的平衡点，便实现步距细分。以步进电机三相六拍驱动方式为例，每次仅让一相电流变化，使其三相电流呈现图5-22的变化方式，形成三相24拍驱动方式可以达到步距四细分。图5-22中，虚线为六拍驱动相电流波形，实线为24拍驱动电流波形。从图中可以看出，每一个脉冲只使某一相电流变化四分之一。因此，转子平衡位置亦偏转约四分之一的步距角。原来由一个脉冲完成的相电流变化(即转角的变化)，现在由四个脉冲完成，从而实现步距细分。图5-22 步距细分原理 细分驱动的特点：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，能使步进电动机运行平稳、提高匀速性、并能减弱或消除振荡。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路(图5-23)也相应复杂。图5-23 微机作为加法器的细分驱动器